Объединив новые и старые технологии, команда исследователей из Массачусетского технологического института смогла разработать систему подводной связи большого радиуса действия с чрезвычайно малым энергопотреблением.
Системы подводной беспроводной связи обычно используют вместо радиоволн акустические волны, и на то есть целый ряд причин. Подводная среда создаёт свои уникальные вызовы, которые делают использование акустических волн более приемлемым. Прежде всего, стоит отметить, что вода представляет собой среду с высокой степенью затухания радиочастотных сигналов – это означает, что электромагнитным волнам достаточно трудно распространяться в толще воды из-за высокого поглощения и рассеивания сигнала. И наоборот, для акустических волн, являющихся механическими колебаниями в воде, характерно меньшее затухание, что делает их более практичным выбором для организации подводной связи.
Однако несмотря на то, что акустические сигналы являются достаточно надёжным средством подводной связи, не стоит забывать о некоторых их недостатках. Одним из главных их ограничений является относительно высокое энергопотребление, необходимое для эффективного генерирования и передачи акустических волн. Акустические преобразователи, превращающие электрические сигналы в звуковые волны и наоборот, требуют для работы значительного количества энергии, что может представлять проблему для подводных устройств, питающихся от батарей. Кроме того, дисперсия и рассеивание акустических волн в воде может привести к ухудшению качества сигнала и возникновения помех, влияющих на надёжность связи. Кроме того, акустические сигналы имеют меньший диапазон передачи, чем радиочастотные сигналы в воздухе или в космосе. Поскольку вода имеет большую плотность и вязкость по сравнению с воздухом, акустические волны рассеивают энергию быстрее, что уменьшает эффективный радиус их действия.
Подписывайтесь на Mediasat в Telegram: здесь самые интересные новости из мира технологий
В последние годы появился новый перспективный метод связи, получивший название «подводное обратное рассеивание». Благодаря использованию кодирования данных в звуковых волнах, которые отражаются назад к приёмнику (вместо генерирования самих сигналов), данная технология позволяет передавать и принимать акустические сигналы очень низкой мощности. Этот метод легко может быть в миллион раз энергоэффективнее прочих методов подводной связи. Однако, к сожалению, дальность действия подводной системы обратного рассеивания обычно ограничена десятками метров, что вряд ли полезно для большинства реальных сценариев применения.
Однако некоторые интересные разработки исследователей из Массачусетского технологического института вполне могут позволить обойти это ограничение дальности связи. Учёные предлагают внести некоторые изменения в существующие методы подводного обратного рассеивания, которые сделают возможной передачу сигнала по системам с низким энергопотреблением без батареи на большие расстояния — возможно, даже до километра. Такая коммуникационная система может открыть путь для создания новых приложений для нужд аквакультуры, служб прогнозирования ураганов и климатического моделирования.
Чтобы обеспечить работу системы связи с возможностью распространения сигнала на большие расстояния, исследователям необходимо было решить одну проблему, которая заключалась в том, что существующие системы подводного обратного рассеивания передают сигналы по всем направлениям, оставляя лишь небольшой процент для возврата к источнику. Достичь этой цели им помогло некоторое переосмысление старой технологии под названием «матрица Van Atta». Речь идёт о решётках, состоящих из симметричного набора антенн с соединениями, которые обеспечивают отражение сигналов только в том направлении, откуда они были получены. Таким образом, энергия не рассеивается по всем направлениям, и расстояния передачи могут стать намного, намного длиннее.
Эффективность работы матрицы Van Atta была дополнительно повышена благодаря тщательному размещению трансформаторов между парами соединённых узлов. Благодаря использованию аппаратного обеспечения исследователи разработали принцип кодирования двоичных цифр в отражённые сигналы, после чего система была готова к тестированию.
На данный момент исследователями было проведено уже более 1 500 экспериментов, проходивших в реках и в Атлантическом океане. Данные испытания продемонстрировали способность системы передавать сигналы по меньшей мере на 300 метров, но для док-станции не хватало места, из-за чего исследователи не смогли найти предел действия системы. Поэтому они разработали модель для прогнозирования максимальной дальности устройства. Эта модель была протестирована на основе результатов предыдущих экспериментов, которые были призваны подтвердить её работоспособность, и в результате она была признана высокоточной. Если верить этой модели, то в теории радиус действия новой подводной технологии обратного рассеивания может превышать один километр.
В дальнейшем команда исследователей планирует проверить свою систему с использованием лодок, которые позволят им выполнить некоторые реальные испытания, проверяя теоретическую границу дальности. Учёные также планируют опубликовать свои данные и набор инструментов, чтобы позволить другим исследовательским группам улучшить предложенную ими разработку.
Ранее мы сообщали, что японские учёные смогли передать через один оптоволоконный кабель электрический ток и данные на расстояние более 10 км.
